高压喷射注浆技术在软土路基处理中的应用

高压喷射注浆技术在软土路基处理中的应用　

杨文江　（山西省交通科学研究院，山西太原０３０００６）　

摘要：在分析高压喷浆技术喷射流的四个组成部　

分以及其对岩土体的破坏机理的基础上，以某实　

体工程为例，利用经验公式对注浆后复合地基承　载力的进行验算，提出相应的施工工艺和质量控　

制措施。　

关键词：高压喷浆技术；喷射流；软土地基；地基承　

载力　

中图分类号：ＴＵ７５３．８　文献标识码：Ａ　

Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｊｅｔ　

ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｉｎ　

ｓｏｆｔ　ｇｒｏｕｎｄ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　

ＹＡＮＧ　Ｗｅｎ—－ｊｉａｎｇ　

（Ｓｈａｎｘｉ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｘｉ　Ｔａｉｙｕａｎ　Ｏ３０ＯＯ６　Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　Ｏｆｆ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｕｒ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｊｅｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｊｅｔ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｎ　ｒｏｃｋ　ａｎｄ　ｓｏｉｌ，ｔａｋｉｎｇ　ａ　ａｃｔｕａｌ　

ｐｒｏｊｅｃｔ　ａｓ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｕｓｅｄ　ａｎ　ｅｍｐｉｒｉｃａｌ　ｆｏｒｍｕｌａｓ　ｔｏ　ｃｈｅｃｋ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅａｓｕｒｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｊｅｔ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ；ｊｅｔ；　ｓｏｆｔ　ｇｒｏｕｎｄ；￣ｕｎｄａｔｉｏｎ　ｂｅａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　

引言　

高压喷射注浆技术创始于日本，该技术利用高压　作用把用特定性质材料配制而成的浆液注入地基岩　

土体内部，并渗透、填充或置换掉周围的岩土体，经胶　凝或固化后，提高原岩土体的力学性能，以实现加固、　防渗、堵漏等目的…。目前，高压喷射注浆技术在软　

收稿日期：２０１３—１０—２１　作者简介：杨文江（１９８２一），男，汉，山西曲沃人，工程师，　研究方向为公路道路工程的勘察设计。　

－－－——７４－－－－——　土路基的处理中得到了广泛的推广与应用。　１　高压喷射注浆技术作用机理　

该技术首先利用２０～５０　ＭＰａ的高压浆液破坏原　岩土体，然后挤出或带出部分细小土粒，其余部分在　喷射浆液的冲击力、离心力及重力的作用下，与浆液　

拌和均匀后重新排列，固结成强度更高的大直径固结　体　。　

１．１高压喷射流的构造　高压喷射流根据喷射流与喷嘴之间的距离可以　分为初始区、迁移区、主要区和终了区四个区域，见图　

１。　

初始区域。　主要区域　终了鏖　

迁移医　。．一，　

／’　。　一　＝！　——　嘎　．　般　１　

＼　Ｘｃ　。＼　＼　Ｘ　’　

图１　高压水连续喷射流构造模式　

（１）初始区域的喷射流呈透明致密状，流速分布　均匀，且不含空气，称为喷射核。其轴向动压为常数，　流速与喷嘴出口速度相同。由于空气阻力的作用，随　

着喷射距离的增加，喷射流损失的能量越多，其宽度　也有所增加，但喷射核逐渐减小，最终汇聚成一个点。　

初始区域的长度是一个重要参数，对破碎土体与搅拌　混合效果有决定性作用。　

（２）迁移区域位于喷射核的末端，是初始区域和　主要区域之间的过渡区，此时喷射流的扩散宽度有所　增大，流速开始不再均匀，而轴向动压也开始逐渐减　

小。　（３）主要区域位于喷射核消失（见图１，　＝　，）　处，喷射流由于空气阻力作用，轴向动压陡然减弱，流　

速也不断减小，但扩散率为常数。

　山东交通科技　２０１３年第６期　

（４）终了区域的喷射流处于衰竭状态，宽度较大，　喷射能量衰减幅度大，大量水汽的掺入使其变位水雾　

状，最后将会消失。　１．２高压喷射流对土体的破坏　

（１）当喷射流的动压力超过岩土体的极限强度　时，岩土体就会遭到破坏。动压力与平均流速的平方　

成正比关系，故增大平均流速，可以获得更大的破坏　力，对岩土体的切削、搅拌范围也越大。　（２）喷射介质会由于施工机械，管道形状，地层变　

化情况等外界因素的影响，使其流量流速或压力均出　现时大时小的周期性现象，最终导致岩土体的残余变　

形会逐渐积累直至破坏，即为喷射流的搅拌效应。　（３）高压喷射流的作用使土层间隙内部会产生反　作用力，导致空隙边缘由于应力场作用而产生应力集　

中，土层空隙迅速发展和扩大，直至土层出现拉伸破　坏，即为水楔破碎效应。　（４）喷射流喷压随着土层距喷嘴距离远近的变化　而变化，故土层所受压力也随之变化，土粒表面压力　

由于喷射流的流动而减小，导致气穴现象出现。喷射　介质迅速冲击空穴利用惯性力破坏土层，即为气穴效　应。　１．３高压喷射注浆水泥土的固结　

水泥土是将水泥浆或水泥粉按适当的比例与土　体拌和均匀，对土体进行改良，而形成具有一定强度　及整体稳定性的生成物。水泥土主要是由于水泥的　

水解和水化作用而硬化，通常２８　ｄ后水泥土的强度基　本达到稳定，因此，一般用２８　ｄ强度来评价水泥土的　

强度。但后期强度仍然会随着龄期的延长而不断增　长，但增长速度非常缓慢。　２工程应用及效果评价　

软土地基指压缩模量低，孔隙率大，天然含水率　高，且由于压缩曾内承载能力小而不能满足公路及其　它人工构造物基底强度要求的地基　。高压喷射注　

浆技术具有施工速度快、成本低其能有效地提高软土　地基强度，所以该技术目前在软土地基的处理中得到　广泛应用。　

２．１工程地质条件　某工程软土地基含有少量地下水，土体主要由粉　

质黏土、淤泥质粉质黏土及黏土组成，各层土的主要　物理参数见表１。　

表１地基层物理力学性质　

２．２具体参数设计　

该工程要求基底强度达到２００　ｋＰａ，根据表ｌ可　

知，该工程地基第一层粉质黏土和第二层淤泥质粉质　黏土的强度分别为１２０　ｋＰａ和９０　ｋＰａ，远远小于设计　

要求；第三层为强度较为稳定的黏土（１９０　ｋＰａ）。软　

土地基厚５　ｍ，上两层的总厚度为４．４　ｍ，黏土厚０．６　

ｍ。所以，水泥土庄的设计长度取５　ｍ，桩径取Ｏ．５　ｍ，　且平面布置为正方形，为满足规范规定桩距为桩径的　

２～３倍的要求，桩距取１．５　ｍ。注浆材料选用水泥土　水灰比为１：１．２，水泥为普通４２．５硅酸盐水泥，根据　

此水灰比制备的桩身试块立方体强度由试验测得为　

７．０　ＭＰａ。　２．３强度验算　

单桩承载力通常可以根据经验公式　进行估算，　

取两者的较小值作为单桩的承载力大小。　

Ｒ。＝　Ａ　…………………………………（１）　Ｒ　＝Ｕｐ　ｇ　＋ｇ　Ａ　…………………………（２）　

式中：尺。一单桩设计承载力（ｋＮ）；　一根据配比　

设计的标准桩身试块（边长７０．７　ｍｍ的立方体）养生　

２８　ｄ后的侧限抗压强度平均值（ｋＰａ）；　一桩身强度折　

减系数，根据规范通常取０．３３；Ａｐ一单桩的横截面积　

（ｍ　）；ｎ一桩身范围内土层层数；ｌｉ一桩基础周围第ｉ　

层土的厚度（ｍ）；ｑｓｉ一第ｉ层土的侧阻力代表值　

（ｋＰａ）；Ｕｐ一单桩周长（ｍ）；ｑｐ一桩端地基土未经修正　

的承载力代表值（ｋＰａ）。　

选用公式（１）计算时：　

Ｒ。＝　Ａ　＝４５２．８　ｋＮ　

选用公式（２）计算时：尺　＝Ｕｐ　ｇ　ｆｌ＋ｇ　

＝４３１．５５　ｋＮ，所以单桩承载力取４３１．５５　ｋＮ。　

复合地基承载力也可以根据公式（３）　］，并结合　

实体工程的地基情况及类似经验进行计算。　

一

７５—　杨文江：高压喷射注浆技术在软土路基处理中的应用　

＝［尺。＋　（Ａ　一Ａ　）］／Ａ　………………（３）　

式中　。　一复合地基承载力代表值（ｋＰａ）；Ａ　一　

单桩所承担处理地基的面积（ｍ　），当采用正方形形布　

置桩基时，Ａ　＝ｎ　，其中。为桩距；厶一处理后桩基问　土承载力代表值（ｋＰａ），宜根据当地具体工程经验取　

值，也可选用天然地基承载力代表值；卢一桩基问土承　载力折减系数，宜按照试验资料确定，通常为０～０．５。　

其余符号同公式（１）与公式（２）。　在此工程中　取０．４，此工程中厶取天然地基承　载力代表值９０　ｋＰａ，代入公式（３）最后算得复合地基　

承载力　＝２２４．６６　ｋＰａ，远远大于地基要求承载力　

２００　ｋＰａ。　２．４施工工艺　（１）钻孔。先将钻机垂直放置在预先设计的孔位　

处，并保证施喷管在整个施工过程中能够有约１．５％　的倾斜度。首先采用震动打桩机对地基土砖孔，等到　

贯入带活动桩靴的套管设计标高后，然后把套管提至　规定的高度。（２）插管。完成砖孔作业后把施喷管插　

入设计的地基深度。（３）喷射作业。插管工作完毕　后，将仪器参数调制好，方可以进行自上而下的喷射　作业。为了方便检查，在喷射过程中要随时记录浆液　

初凝时间、风量、旋转提升速度等参数，同时，还要将　

这些参数绘制成相应的过程曲线图。（４）补浆。通常　情况下，由于浆液的析水作用，水泥土在固结过程中　

会出现不同程度的收缩，从而导致造固结体顶部凹陷　或不均匀固结的现象，严重影响该技术的加固及防渗　堵水效果。通常的处理技术是由喷射孔口向顶部凹　

陷处直接注浆，或者进行第二次注浆的方法对固结体　进行补浆加固。（５）冲洗。注浆完毕后，及时对注浆　

管等仪器清洗干净，保证施工工具的使用寿命，方便　后期的施工。　

２．５质量控制措施　（１）冒浆。喷射流破坏岩土体而产生的细小土粒　

会随着浆液而冒出地面。冒浆现象有助于对地基状　况、注浆效果及仪器参数设置的合理性等情况进行及　时了解。通常情况下，冒浆（包含土粒、水及浆液）量　

不超过注浆总量的２０％，如出现超过２０％或完全不　冒浆的现象，则应立即查明原因，及时采取相应处理　

措施。由于现场地基土质松软，因此采用了增大喷射　

压力的方法来减小冒浆。目前，还可以采用适当减小　喷嘴直径、加快提升和旋转速度等措施来减小冒浆　

量。而对于不冒浆或断续冒浆现象，如果地基土质松　软则是正常情况，只需进行简单复喷即可；否则应继　

续注浆直到出现冒浆或将注浆管取出后待浆液完全　

凝固后继续注浆。　

一７６一　（２）固结体不完整。完成注浆或因故突然中断注　

浆，都会有使加固地基出现脱空或桩体不连续等病害　的可能。施工中采用了通常采取超高喷射（实际喷射　

注浆面标高超过原设计标高）和保证超过１００　ｍｍ的　

注浆搭接长度的方法来防止该现象，通常还可以采用　回灌冒浆或二次注浆等措施来防止因浆液收缩引发　

的固结体不完整。　（３）固结体不垂直。这种现象的产生会降低处理　后地基的承载力，更有甚者可导致防渗堵水失败。在　

本工程中，该病害主要是由于钻孔不垂直引起的，因　此在该钻孔附近进行了重新钻孔，并采用水平尺校正　

了钻机的垂直度，确保垂直偏差不超过１／１　０００。　

（４）固结体强度不均匀。高压喷射注浆水泥土桩　的直径和强度受土层性质的影响较大。而本工程中　

地基中有三个土层，因此在喷射注浆过程中，工作人　员根据注浆深度及土层的厚度对仪器参数进行了及　时调整，保证了强度固结的均匀性。通常还可以进行　

复喷来防止固结体强度不均的现象。　２．６效果评价